这一章在干嘛?
把第 10 章的原理电路变成实用工具箱:固定增益级、加减法器、缓冲器、四种受控源、仪表放大器、有源滤波器。每个电路都给出增益/传递函数公式,学会「套模板」就能设计大部分模拟前端。
11.1 固定增益级与多级级联
把反相/同相放大器按指定增益定型封装,就是固定增益级。多级级联时总增益相乘(dB 相加):
原书图 11.1:反相固定增益级
原书图 11.3:同相固定增益级:输入阻抗更高
级联规律:
A v总 = A 1 ·A 2 ·A 3 …(倍数相乘);用 dB 表示则是相加。注意前级输出阻抗要远小于后级输入阻抗,否则增益打折。
11.2 加减法器与缓冲器
求和已在第 10 章见过;减法器则一路进同相端、一路进反相端:
原书图 11.8:求和放大器:多路加权相加
原书图 11.10:减法电路:输出正比于两输入之差
单位增益缓冲器(电压跟随器):输出直连反相端,Av=1,用「高进低出」的阻抗隔离前后级:
原书图 11.13:单位增益缓冲:增益为 1,却是最常用的运放电路之一
11.3 四种受控源
用运放可以搭出理想的受控源,实现「电压/电流」世界的自由转换:
原书图 11.17:压控电压源(VCVS)实际电路
原书图 11.19:压控电流源(VCCS):负载电流只由输入电压与电阻决定
妙用:
压控电流源是恒流源的核心——比如给 LED/传感器激励恒定电流,输出电流 = V in /R,与负载无关。
11.4 仪表放大器:传感器信号的标配
把两颗同相缓冲 + 一颗差分级打包,得到仪表放大器(INA):输入阻抗极高、增益一颗电阻可调、共模抑制比极大,是应变片/热电偶/心电信号的标准前级:
原书图 11.28:仪表放大器:三运放结构,R_G 设定增益
11.5 有源滤波器
RC 无源滤波「拖泥带水」(增益 ≤1、滚降平缓、带负载能力差),加上运放就成了有源滤波器——有增益、滚降陡、级联方便:
原书图 11.30:理想滤波响应:低通/高通/带通
原书图 11.31:一阶有源低通:−20 dB/十倍频
阶数每加一阶,滚降斜率再加 −20 dB/十倍频;把低通和高通串起来就是带通:
原书图 11.33:一阶/二阶有源高通及响应
原书图 11.34:带通有源滤波器
初学误区:
有源滤波的「截止频率」由 RC 决定(f c =1/2πRC),运放只负责增益与隔离;先定 RC,再配增益。
1. 缓冲器增益为 1,为什么还要用它?
为阻抗隔离:输入阻抗极高、输出阻抗极低,防止后级负载「拖垮」前级信号——比如高内阻传感器直接驱动 ADC 会失真,中间加一级缓冲就稳了。
2. 仪表放大器和普通差分放大器比好在哪?
两个同相输入缓冲提供极高输入阻抗,增益由一颗 R_G 电阻精确设定,差分级负责共模抑制;普通差分放大器输入阻抗由电阻网络决定,信号源内阻会影响匹配和 CMRR。
3. 一阶和二阶有源低通的区别是什么?
滚降斜率:一阶 −20 dB/十倍频,二阶 −40 dB/十倍频。阶数越高过渡带越窄、滤波越「利落」,但电路复杂度与稳定性设计难度也增加。